(57)【要約】【課題】カソードからのわずかな高圧ガスを利用して増幅ノズルが大量の空気流を作り出し、この空気流によって排気燃料ガスを希釈することのできる燃料電池システムを提供する。【解決手段】本発明の燃料電池システム１は、燃料電池スタック２のカソード系高圧ガスを駆動ガスとして利用して外部から吸入した吸入ガスを増幅する増幅ノズル１０を備え、この増幅ノズル１０で増幅された増幅ガスによって燃料電池スタック２から排気された排気燃料ガスを希釈することを特徴とする。【選択図】      図１
2007122912.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
アノードに燃料ガスを供給し、カソードに酸化剤ガスを供給して電気化学反応により発電する燃料電池を備えた燃料電池システムであって、
前記燃料電池のカソード系高圧ガスを駆動ガスとして利用して外部から吸入した吸入ガスを増幅する増幅ノズルを備え、前記増幅ノズルによって前記燃料電池から排気された排気燃料ガスを希釈することを特徴とする燃料電池システム。
【請求項２】
前記駆動ガスは、前記燃料電池のカソード上流から前記増幅ノズルへ供給されることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池システム。
【請求項３】
前記駆動ガスは、前記燃料電池のカソード下流から前記増幅ノズルへ供給されることを特徴とする請求項１または２のいずれかに記載の燃料電池システム。
【請求項４】
前記燃料電池を格納したスタックケースの換気用ガスを、前記駆動ガスとして前記増幅ノズルへ供給することを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
【請求項５】
前記増幅ノズルで増幅されたガスは、前記燃料電池のカソード排気管に排出される ことを特徴とする請求項１から請求項４のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
【請求項６】
前記排気燃料ガスと前記増幅ノズルで増幅されたガスとの合流部の下流に燃焼器を設置したことを特徴とする請求項１から請求項５のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
【請求項７】
前記吸入ガスは大気であることを特徴とする請求項１から請求項６のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
【請求項８】
前記排気燃料ガスを前記増幅ノズルの直前あるいは直後の配管内壁沿いに合流させることを特徴とする請求項１から請求項７のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
【請求項９】
前記排気燃料ガスは、前記配管内壁に設けられた円周状のスリットあるいは複数の孔によって合流することを特徴とする請求項８に記載の燃料電池システム。
【請求項１０】
前記排気燃料ガスと前記増幅ノズルで増幅されたガスとの合流部よりも上流に逆止弁を設置したことを特徴とする請求項１から請求項９のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
【請求項１１】
前記カソード系高圧ガスを前記増幅ノズルへ供給する供給経路にバルブを設置し、前記排気燃料ガスの流量とカソード排気ガスの流量とに基づいて前記バルブの開閉を制御することを特徴とする請求項１から請求項１０のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
【請求項１２】
前記燃料電池のカソード上流とカソード下流とから前記カソード系高圧ガスを前記増幅ノズルへ供給し、前記カソード上流から供給されるカソード系高圧ガスの流量を制御する第１のバルブと、前記カソード下流から供給されるカソード系高圧ガスの流量を制御する第２のバルブとを備えていることを特徴とする請求項１１に記載の燃料電池システム。
【請求項１３】
前記第１のバルブのみを開放することを特徴とする請求項１２に記載の燃料電池システム。
【請求項１４】
前記第２のバルブのみを開放することを特徴とする請求項１２に記載の燃料電池システム。
【請求項１５】
前記カソード排気ガスに対する前記排気燃料ガスの比率が上昇したときには、前記カソードの運転圧を上昇させることを特徴とする請求項１１から請求項１４のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池で消費されなかった燃料ガスを希釈して排出する燃料電池システムに係り、特に増幅ノズルを利用して燃料ガスを希釈する燃料電池システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
一般に、燃料電池は、水素等の燃料ガスと空気等の酸化剤ガスとを電気化学的に反応させることにより、燃料ガスのもつ化学エネルギーを直接電気エネルギーに変換する装置であり、その一つとして電解質膜に固体高分子膜を用いた固体高分子型燃料電池が知られている。
【０００３】
この固体高分子型燃料電池では、安定した発電を行うために燃料極への水素の供給量は、発電に必要な量よりも多く供給する必要があり、燃料電池出口からは化学反応しなかった余剰の水素が排出されることになる。
【０００４】
そこで、従来は水素希釈装置を設置して水素濃度を可燃濃度以下に低下させてから外部へ排出するようにしている。このような水素希釈装置を備えた燃料電池システムの従来例として、例えば特開２００４−１２７６２１号公報（特許文献１）が開示されている。
【０００５】
この従来例では、水素ガスを空気で希釈する希釈ボックスを備えており、この希釈ボックスから排出されるガスの水素濃度と、燃料電池の最低セル電圧とに応じて、希釈ボックスへ流入する水素と空気の流量を制御するようにしている。
【特許文献１】特開２００４−１２７６２１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
上述した従来の燃料電池システムでは、排出される燃料ガスの流量が増加すると、それに応じてカソードへ送られる空気の流量を増やす必要があるので、カソードへ空気を供給するためのコンプレッサなどによる音や振動、さらには消費電力が増大してしまうという問題点があった。また、カソードガスの流量を増加させることによって電解質膜がドライアウトしてしまうという問題点もあった。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上述した課題を解決するために、本発明の燃料電池システムは、アノードに燃料ガスを供給し、カソードに酸化剤ガスを供給して電気化学反応により発電する燃料電池を備えた燃料電池システムであって、前記燃料電池のカソード系高圧ガスを駆動ガスとして利用して外部から吸入した吸入ガスを増幅する増幅ノズルを備え、前記増幅ノズルによって前記燃料電池から排気された排気燃料ガスを希釈することを特徴とする。
【発明の効果】
【０００８】
本発明に係る燃料電池システムでは、増幅ノズルによって外部から吸入した吸入ガスをカソード系高圧ガスで増幅して排気燃料ガスを希釈するので、カソードからのわずかな高圧ガスを利用して増幅ノズルが大量の空気流を作り出すことができ、これによってカソードに酸化剤ガスを供給するコンプレッサなどの能力増加に頼ることなく、排気燃料ガスの希釈に必要な空気流量を確保することができる。また、カソードに流れるガス流量を増加させないので、電解質膜のドライアウトを防止することもできる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
以下、本発明に係わる燃料電池システムを実施するための最良の形態となる実施例について説明する。
【実施例１】
【００１０】
以下、本発明の実施例１を図面に基づいて説明する。図１は実施例１に係る燃料電池システムの構成を示すブロック図である。
【００１１】
図１に示すように、本実施例の燃料電池システム１は、燃料ガスと酸化剤ガスとが供給されて電気化学反応により発電する燃料電池スタック２と、燃料電池スタック２を格納するスタックケース３と、燃料ガスである水素ガスを燃料電池スタック２のアノードに供給する燃料供給源４と、酸化剤ガスである空気を燃料電池スタック２のカソードに供給するカソードガス供給装置５と、カソードにおける空気の圧力を調整する調圧弁６と、アノードにおける反応で使用されずに排気される排気燃料ガスを排出するパージ弁７と、排気燃料ガスから水分を分離する水セパレータ８と、排気燃料ガスを燃料電池スタック２の上流に再循環させる循環ポンプ９と、燃料電池スタック２のカソード系高圧ガスを駆動ガスとして利用して外部から吸入した吸入ガスを増幅する増幅ノズル１０と、増幅ノズル１０へ吸入される吸入ガスの逆流を防止する逆止弁１１とを備えている。
【００１２】
上述した燃料電池システム１において、燃料電池スタック２ではアノードに燃料ガスである水素ガスが供給され、カソードに酸化剤ガスである空気が供給されて以下に示す電気化学反応によって発電が行われている。
【００１３】
アノード（燃料極）  ：Ｈ2→２Ｈ+＋２ｅ-                     （１）
カソード（酸化剤極）：２Ｈ+＋２ｅ-＋(1/2)Ｏ2→Ｈ2Ｏ         （２）
燃料供給源４は水素タンクなどによって構成され、この燃料供給源４から供給された水素ガスは図示しない減圧弁や水素供給弁などを通じて燃料電池スタック２のアノードに供給される。このとき、燃料供給源４から供給される高圧水素は、減圧弁で機械的に所定の圧力まで減圧され、次に水素供給弁の開度を調節することによって燃料電池スタック２における水素ガスの圧力が所望の圧力になるように制御されている。また、燃料電池スタック２のアノードで消費されなかった水素ガスはパージ弁７から排気されるか、あるいは水セパレータ８で水分を分離された後に循環ポンプ９によって燃料電池スタック２のアノードに再循環されている。
【００１４】
一方、酸化剤ガスである空気を供給するカソードガス供給装置５はコンプレッサなどによって構成され、外気から空気を吸入して加圧し、燃料電池スタック２のカソードに空気を供給している。カソードにおける空気圧は図示していない空気圧力センサによって検出され、その検出値に基づいてカソードガス供給装置５の回転数及び調圧弁６の開口面積を調節することによってカソードにおける空気圧が制御されている。
【００１５】
増幅ノズル１０は、燃料電池スタック２のカソード系高圧ガスを駆動ガスとして利用して外部から吸入した吸入ガスを増幅してアノードから排気された排気燃料ガスを希釈している。このとき増幅ノズル１０の上流には逆止弁１１を設置して排気燃料ガスが逆流して大気に放出されてしまうことを防止している。また、増幅ノズル１０に外部から吸入ガスを吸い込む大気吸込み口には、フィルタを設置して異物の侵入を防ぐようにしてもよい。
【００１６】
ここで、増幅ノズル１０の構造を図２に基づいて説明する。図２に示すように、増幅ノズル１０は円形流路の内壁にスリット２１が設けられ、このスリット２１にカソード出口と調圧弁６との間から供給されたカソード系高圧ガスを駆動ガスとして送り込んで円形流路に沿って噴射している。これによって、円形流路の内壁に沿って速いガス流を作ることができ、外部から吸入した吸入ガスを吸い込んで増幅し、大幅に増幅されたガスの流れを作り出すことができる。
【００１７】
この増幅ノズル１０ではノズル前後の圧力差が小さければ、駆動源となる高圧ガス（駆動ガス）の流量に対して、５〜２０倍のガス流量（増幅ガス）を作り出すことができるので、空気圧を駆動源にした送風機や吸引機として用いられている。また、この増幅ノズル１０の代わりに、エゼクタを設置しても良い。
【００１８】
ここで、代表的な増幅ノズル１０の特性を図３に基づいて説明する。図３に示すように、駆動ガスの圧力を上昇させることにより、増幅ガスの流量が増加するような特性になっている。このとき、駆動ガス流量に対する駆動ガス流量の比率を表す増幅率はほぼ一定の割合で増加し、この増幅率は増幅ノズル１０の流路径、スリット幅、スリット付近の形状などの設計パラメータによって決定されている。
【００１９】
次に、本実施例の燃料電池システム１によって実行される排気燃料ガスの希釈処理を説明する。発電時には、カソードガス供給装置５によって加圧された空気が燃料電池スタック２のカソードに供給されている。そして、燃料電池スタック２の発電に使用された後に、カソード系高圧ガスの一部をカソード出口と調圧弁６との間からバイパスさせて駆動ガスとして増幅ノズル１０に供給する。
【００２０】
このようにカソードで使用された後の不要なガスを駆動ガスとして利用することにより、カソードガス供給装置５の能力を向上させる必要がなくなるので、エネルギー効率を向上させることができる。
【００２１】
そして、駆動ガスを供給された増幅ノズル１０は、駆動ガスであるカソード系高圧ガスの数倍〜数十倍の流量の吸入ガスを大気から吸込み、この吸入ガスを増幅して得た増幅ガスを排出することによって、燃料ガスを多く含んだ排気燃料ガスの希釈を行なう。希釈されたガスは、燃料ガスの濃度が可燃限界濃度以下となり、そのまま大気に放出される。このようにして本実施例の燃料電池システム１による排気燃料ガスの希釈処理は実行される。
【００２２】
また、増幅ノズル１０によって希釈される排気燃料ガスとしては、アノードからパージ弁７を通じて排気されたガスの他に、スタックケース３を換気するための換気ガス、水セパレータ８からの排気ガスなどがある。これらの燃料ガスを含んだ排気燃料ガスは、図１では増幅ノズル１０の下流で合流するように構成されているが、増幅ノズル１０の下流ではなく上流に合流するように構成してもよい。ただし、逆止弁１１よりは下流に合流させる必要がある。
【００２３】
また、燃料ガスを含む排気燃料ガスの圧力が十分に高い場合には、この排気燃料ガスを増幅ノズル１０の駆動ガスとして利用してもよいし、カソード系高圧ガスに混ぜて駆動ガスとして利用してもよい。
【００２４】
さらに、図４に示すように、スタックケース３へ換気のために導入した換気ガスを増幅ノズル１０の駆動ガスとして利用してもよい。この場合、既に設置されているバイパスラインから駆動ガスを用いることができ、システム効率を悪化させることなく排気燃料ガスの希釈に利用することができる。
【００２５】
このように、本実施例の燃料電池システム１では、増幅ノズル１０によって外部から吸入した吸入ガスをカソード系高圧ガスで増幅して排気燃料ガスを希釈するので、カソードからのわずかな高圧ガスを利用して増幅ノズル１０が大量の空気流を作り出すことができ、これによってカソードに酸化剤ガスを供給するコンプレッサなどの能力増加に頼ることなく、排気燃料ガスの希釈に必要な空気流量を確保することができる。したがって、コンプレッサなどによる音や振動、さらには消費電力の増大を抑えることができる。また、カソードを流れる酸化剤ガスの流量は増加させないので、電解質膜のドライアウトを防止することもできる。
【００２６】
また、本実施例の燃料電池システム１では、増幅ノズル１０の駆動ガスを燃料電池スタック２のカソード下流から供給するようにしたので、カソードで使用された後の不要なガスを駆動ガスとして利用することができ、これによってカソードガス供給装置５の能力を向上させる必要がなくなるので、エネルギー効率を向上させることができる。
【００２７】
さらに、本実施例の燃料電池システム１では、燃料電池スタック２を格納したスタックケース３の換気用ガスを増幅ノズル１０の駆動ガスとして利用するので、既に設置されているバイパスラインから駆動ガスを利用することができ、システム効率を悪化させることなく排気燃料ガスの希釈に利用することができる。
【００２８】
また、本実施例の燃料電池システム１では、増幅ノズル１０が吸入する吸入ガスを大気としたので、大量の吸入ガスを増幅ノズル１０に供給することが可能となる。
【００２９】
さらに、本実施例の燃料電池システム１では、排気燃料ガスと増幅ノズル１０で増幅されたガスとの合流部よりも上流に逆止弁を設置したので、高濃度の排気燃料ガスの逆流を防止することができ、たとえ増幅ノズル１０への駆動ガスの供給が減少した場合であっても、高濃度の排気燃料ガスを大気へ放出してしまうことを防止できる。
【実施例２】
【００３０】
次に、本発明の実施例２を図５に基づいて説明する。図５は、実施例２の燃料電池システムの構成を示すブロック図である。図５に示すように、本実施例の燃料電池システム５１は、増幅ノズル１０から排出されて排気燃料ガスを希釈したガスを、燃料電池スタック２のカソード排気管に接続して排出するようにしたことが実施例１と異なっており、その他の構成については実施例１と同様なので、詳しい説明は省略する。
【００３１】
このように、本実施例の燃料電池システム５１では、増幅ノズル１０で増幅されたガスを燃料電池スタック２のカソード排気管に排出するようにしたので、増幅ノズル１０によって希釈されたガスをカソードからの排気によってさらに希釈することができ、希釈性能をより向上させることができる。
【実施例３】
【００３２】
次に、本発明の実施例３を図６に基づいて説明する。図６は、実施例３の燃料電池システムの構成を示すブロック図である。図６に示すように、本実施例の燃料電池システム６１は、燃料電池スタック２のカソード上流から供給されるカソード系高圧ガスを増幅ノズル１０の駆動ガスとして利用するようにしたことが実施例２と異なっている。また、増幅ノズル１０で増幅されたガスと排気燃料ガスとの合流部の下流に燃焼器６２をさらに設置したことが実施例２と異なっている。さらに、逆止弁１１を増幅ノズル１０の下流に設置したことが実施例２と異なっている。ただし、その他の構成については実施例２と同様なので、詳しい説明は省略する。
【００３３】
上述した第１及び実施例２では、増幅ノズル１０の駆動ガスとしてカソード出口と調圧弁６との間のカソード系高圧ガスの一部を利用していたが、本実施例ではカソードガス供給装置５とカソード入口との間のカソード系高圧ガスの一部を増幅ノズル１０の駆動ガスとして利用している。これにより、駆動ガスの圧力を容易に上昇させることができ、増幅ノズル１０による希釈性能を向上させることができる。特にカソードガス供給装置５の直後からカソード系高圧ガスを供給することで、より高圧のガスを増幅ノズル１０に供給することができる。
【００３４】
また、本実施例の燃料電池システム６１では、増幅ノズル１０で増幅されたガスと排気燃料ガスとの合流部の下流に燃焼器６２を設置し、排気燃料ガスに含まれる燃料ガスを燃焼させて大気に放出される燃料ガスの量をより低減するようにしている。このとき燃料電池システム６１では増幅ノズル１０を利用しているので、大気から酸素リッチなガスを引き込むことができ、カソードから排出された酸素濃度の低いガスを利用する場合よりも少ない流量でより効率良く燃料ガスを燃焼させることができる。
【００３５】
また、燃焼器６２の位置は、図６に示すようにカソード排気管の手前に設置するだけでなく、増幅ノズル１０から排出されたガスがカソード排気管に合流した後のカソード排気管下流に設置するようにしてもよい。ただし、カソードからの排気に大量の水が含まれている場合には、図６に示すようにカソード排気管の手前に燃焼器６２を設置したほうが安定した燃焼を実現することができる。
【００３６】
さらに、例えば水セパレータ８から排気された排気燃料ガスの中に大量の水が含まれている場合には、水を含んでいる排気燃料ガスのみを燃焼器６２の下流に合流させるようにするか、あるいは水を含んでいる排気燃料ガスを燃焼器６２とは別ラインに合流させて希釈し、水の少ない排気燃料ガスのみを燃焼器６２に通過させるような構成にしてもよい。
【００３７】
また、燃焼器６２の代わりに拡散希釈器などを設置するようにしてもよい。
【００３８】
このように、本実施例の燃料電池システム６１では、増幅ノズル１０の駆動ガスを燃料電池スタック２のカソード上流から供給するようにしたので、より高い圧力の駆動ガスを増幅ノズル１０に供給することができる。
【００３９】
また、本実施例の燃料電池システム６１では、排気燃料ガスと増幅ノズル１０で増幅されたガスとの合流部の下流に燃焼器６２を設置したので、増幅ノズル１０によって希釈された排気燃料ガスを燃焼器６２で燃焼させることによって、さらに燃料ガスの濃度を低下させることができる。
【実施例４】
【００４０】
次に、本発明の実施例４を図７に基づいて説明する。図７は実施例４の燃料電池システムに設置された増幅ノズルの構造を示す断面図である。図７に示すように、本実施例の増幅ノズルでは排気燃料ガスを増幅ノズルの直前あるいは直後の配管内壁沿いに合流させるようにしたことが実施例１と異なっており、その他の構成については実施例１と同様なので、詳しい説明は省略する。
【００４１】
ここで、増幅ノズルを用いて排気燃料ガスを希釈するためには、排気燃料ガスを素早く拡散させる必要がある。そこで、図７に示すように増幅ノズルの直前あるいは直後の配管内壁に沿って排気燃料ガスを合流させるようにすることで、高速な駆動ガスの流れと増幅される吸入ガスとの界面に発生した乱流によって、排気燃料ガスの拡散を促進することができる。
【００４２】
そして、排気燃料ガスを合流させる部分の具体的な構造としては、例えば、図８（ａ）に示すように配管内壁に円周状のスリット８１を設け、このスリット８１から排気燃料ガスを合流させるようにする。この構造は増幅ノズルに駆動ガスを合流させる部分と同様な構造となる。
【００４３】
また、別の方法としては、図８（ｂ）に示すように配管内壁に多数の孔８２を設け、この孔８２から排気燃料ガスを噴出させて合流させるようにしてもよい。
【００４４】
このように、本実施例の燃料電池システムでは、排気燃料ガスを増幅ノズルの直前あるいは直後の配管内壁沿いに合流させるようにしたので、増幅ノズル内に発生した乱流部に排気燃料ガスを合流させることができ、これによって燃料ガスを素早く拡散させることができ、拡散に必要な流路長を短くすることができる。
【００４５】
また、本実施例の燃料電池システムでは、排気燃料ガスを配管内壁に設けられた円周状のスリット８１あるいは複数の孔８２によって合流させるので、配管内壁に沿って素早く排気燃料ガスを拡散させることができる。
【実施例５】
【００４６】
次に、本発明の実施例５を図９に基づいて説明する。図９に示すように、本実施例の燃料電池システム９１は、カソード系高圧ガスを増幅ノズル１０へ供給する供給経路にバルブＶを設置したことが実施例２と異なっており、その他の構成については実施例２と同様なので、詳しい説明は省略する。
【００４７】
本実施例の燃料電池システム９１では、図９に示すように、カソード系高圧ガスを増幅ノズル１０に供給するバイパスラインにバルブＶを設置して、カソードからの排気ガス流量が、排出燃料ガスの流量に対して多いときには、バルブＶを閉じて増幅ノズル１０を使用しないように制御する。
【００４８】
このとき、カソードの排気ガス流量は、流量計によって直接計測してもよいし、あるいは燃料電池スタック２の運転状態から推定してもよい。また、排出燃料ガスの流量については、濃度計及び流量計を使って直接計測してもよいし、あるいは燃料電池スタック２の運転状態から推定してもよい。また、排気ガスの大気開放時における燃料濃度を計測して、希釈ガスまたは燃焼酸化剤ガスの不足を検知するようにしてもよい。
【００４９】
また、バルブＶを設置したことにより、燃料電池スタック２の出力が非常に低くてカソードの流量が小さいときに、バルブＶを閉じることによって増幅ノズル１０へ供給されるカソード排気ガスを遮断することができ、これによってカソードを必要な圧力に保つために消費するカソードガス供給装置５の電力を低減させることもできる。
【００５０】
また、図９ではカソード下流から増幅ノズル１０へ駆動ガスを供給する場合を示したが、カソード上流から増幅ノズル１０へ駆動ガスを供給する場合にも同様にバルブを設置してカソード排気ガスと排気燃料ガスとの流量に応じてバルブの開閉を制御するようにしてもよい。これにより、無駄なガス消費、すなわちカソードガス供給装置５の消費電力を抑えることができる。
【００５１】
このように、本実施例の燃料電池システム９１では、カソード系高圧ガスを増幅ノズル１０へ供給する供給経路にバルブＶを設置し、排気燃料ガスの流量とカソード排気ガスの流量とに基づいてバルブＶの開閉を制御するようにしたので、増幅ノズル１０で無駄に消費される高圧カソードガスの流量を減らすことができ、これによってカソードガス供給装置５の音や振動を低減させるとともに、消費電力を低減させることができる。
【実施例６】
【００５２】
次に、本発明の実施例６を図１０に基づいて説明する。図１０に示すように、本実施例の燃料電池システム１０１は、燃料電池スタック２のカソード上流とカソード下流の両方からカソード系高圧ガスを増幅ノズル１０へ供給できるように、カソード上流から供給されるカソード系高圧ガスの流量を制御する第１のバルブＶ１と、カソード下流から供給されるカソード系高圧ガスの流量を制御する第２のバルブＶ２をさらに備えたことが上述した第１〜実施例５と異なっており、その他の構成については同様なので、詳しい説明は省略する。
【００５３】
次に、本実施例の燃料電池システムによるバルブの開閉制御処理を図１１のフローチャートに基づいて説明する。図１１に示すように、まずカソード排気ガスの流量を計測し（Ｓ１１０１）、次に排気燃料ガスの流量を計測する（Ｓ１１０２）。この計測方法としては、カソード排気ガスの流量は、流量計によって直接計測してもよいし、あるいは燃料電池スタック２の運転状態から推定してもよい。また、排気燃料ガスの流量については、濃度計及び流量計を使って直接計測してもよいし、あるいは燃料電池スタック２の運転状態から推定してもよい。
【００５４】
次に、こうして計測されたカソード排気ガスの流量と排気燃料ガスの流量に基づいて図１２に示すバルブ切り替え領域のいずれの領域に属するかを判断する（Ｓ１１０３）。そして、領域毎にバルブの開閉、運転圧の調整、カソード流量の調整などの制御を実施する（Ｓ１１０４）。
【００５５】
以下、図１２の各領域について説明する。
【００５６】
まず、排気燃料ガスの流量が、カソード排気ガスの流量に対して少なく、カソード排気ガスのみで排気燃料ガスの濃度を可燃限界以下の濃度へ希釈または燃焼処理できる場合には領域（１）と判断され、第１のバルブＶ１と第２のバルブＶ２の両方を閉じて無駄なエネルギー消費を抑えるように制御する。
【００５７】
次に、カソード排気ガスの流量が減少するか、あるいは排気燃料ガスの流量が増加することによって、排気燃料ガスの比率が高くなると領域（２）と判断され、第２のバルブＶ２のみを開いて駆動ガスを増幅ノズル１０へ供給し、排気燃料ガスを希釈するのに必要となる増幅ノズル１０からの増幅ガスを確保しながら、第１のバルブＶ１を閉じてカソードガス供給装置５の無駄なエネルギー消費を抑えるように制御する。
【００５８】
さらに、排気燃料ガスの流量が増加してカソード排気ガスに対する比率が高まると領域（３）と判断され、第２のバルブＶ２を閉じて第１のバルブＶ１を開くことによって、より高圧の駆動ガスを増幅ノズル１０へ供給するようにして増幅ノズル１０から排出される増幅ガスの流量を増加させるように制御する。
【００５９】
さらに、排気燃料ガスの流量が増加してカソード排気ガスに対する比率が高まると領域（４）と判断され、この場合には第１のバルブＶ１、Ｖ２の設定は領域（３）と同じ状態を維持したままでカソードの運転圧を上昇させ、これによって増幅ノズル１０から排出される増幅ガスの流量を増加させて対応する。このとき、カソードを流れるガスの流量を増加させるよりも、増幅ノズル１０の駆動ガスの圧力を上昇させて増幅ノズル１０の能力を高めるようにしたほうが効率よく希釈または燃焼に要するガスを確保することができる。
【００６０】
また、このときカソードを流れるガスの流量は変わらないので、電解質膜のドライアウトが起こることはない。カソードの運転圧は、必要となる増幅ガスの流量に応じてコントロールすればよい。
【００６１】
そして、さらに排気燃料ガスの流量が増加してカソード排気ガスに対する比率が高まってスタックの運転圧の限界に達した場合には領域（５）と判断され、カソードの流量を増加する。ただし、電解質膜のドライアウトが問題になる場合には、一時的に燃料ガスの排出を抑えるためにパージ量を減らすなどの対応を実施してもよい。基本的には、ドライアウトを起こすことなく排気燃料ガスを処理できるように、増幅ノズル１０の能力を設計する必要がある。実際の燃料電池の運転において、排気燃料ガスの流量が増加してカソード排気ガスに対する比率が領域（５）まで高くなる例としては、起動時にスタックケース３に溜まっていた水素ガスが一度に排気される場合がある。このような時には、あらかじめカソードの運転圧を高くして増幅ノズル１０の能力を高めておくことによって、排気燃料ガスを適正に処理することが可能である。
【００６２】
このように、本実施例の燃料電池システム１０１では、燃料電池スタック２のカソード上流とカソード下流とからカソード系高圧ガスを増幅ノズル１０に供給し、カソード上流から供給されるカソード系高圧ガスの流量を制御する第１のバルブＶ１と、カソード下流から供給されるカソード系高圧ガスの流量を制御する第２のバルブＶ２とを備えているので、第１のバルブＶ１、Ｖ２の開閉を制御することによって排気燃料ガスを希釈するのに必要な空気流量を確保できるとともに、カソードガス供給装置５のエネルギー消費を抑えることができる。
【００６３】
また、本実施例の燃料電池システム１０１では、第１のバルブＶ１のみを開放するように制御するので、より高圧の駆動ガスを増幅ノズル１０へ供給することができ、これによって増幅ノズル１０で増幅される増幅ガスの流量を増加させて、より多くの排気燃料ガスを希釈することが可能となる。
【００６４】
さらに、本実施例の燃料電池システム１０１では、第２のバルブＶ２のみを開放するように制御するので、排気燃料ガスを希釈するのに必要な空気流量を確保しながら、カソードガス供給装置５のエネルギー消費を抑えることができる。
【００６５】
また、本実施例の燃料電池システム１０１では、カソード排気ガスに対する排気燃料ガスの比率が上昇したときにはカソードの運転圧を上昇させるので、増幅ノズル１０へ供給される駆動ガスの圧力を高くすることができ、これによって増幅ノズル１０がより多くの大気を吸込むことができ、排気燃料ガスの流量が増加した場合でも希釈や燃焼に必要な空気を確保して可燃濃度以上の燃料ガスが大気に開放されてしまうことを防止できる。このとき、カソードに流れる流量は増加しないので、電解質膜のドライアウトを防ぐことができる。また、増幅ノズル１０を利用することによって、カソードの流量を直接に増やす場合よりも、カソードガス供給装置５の消費電力を抑えることができる。
【００６６】
以上、本発明の燃料電池システムについて、図示した実施例に基づいて説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、各部の構成は同様の機能を有する任意の構成のものに置き換えることができる。
【図面の簡単な説明】
【００６７】
【図１】本発明の実施例１に係る燃料電池システムの構成を示すブロック図である。
【図２】本発明の実施例１に係る燃料電池システムに備えられた増幅ノズルの構造を示す断面図である。
【図３】本発明の実施例１に係る燃料電池システムに備えられた増幅ノズルの特性を示す図である。
【図４】本発明の実施例１に係る燃料電池システムの変形例の構成を示すブロック図である。
【図５】本発明の実施例２に係る燃料電池システムの構成を示すブロック図である。
【図６】本発明の実施例３に係る燃料電池システムの構成を示すブロック図である。
【図７】本発明の実施例４に係る燃料電池システムに備えられた増幅ノズルの構造を示す断面図である。
【図８】本発明の実施例４に係る燃料電池システムの排気燃料ガスの合流部の構造を示す図である。
【図９】本発明の実施例５に係る燃料電池システムの構成を示すブロック図である。
【図１０】本発明の実施例６に係る燃料電池システムの構成を示すブロック図である。
【図１１】本発明の実施例６に係る燃料電池システムによるバルブの開閉制御処理を示すフローチャートである。
【図１２】本発明の実施例６に係る燃料電池システムによるバルブの切り替え領域を説明するための図である。
【符号の説明】
【００６８】
１、５１、６１、９１、１０１  燃料電池システム
２  燃料電池スタック
３  スタックケース
４  燃料供給源
５  カソードガス供給装置
６  調圧弁
７  パージ弁
８  水セパレータ
９  循環ポンプ
１０  増幅ノズル
１１  逆止弁
２１  スリット
６２  燃焼器
Ｖ  バルブ
Ｖ１  第１のバルブ
Ｖ２  第２のバルブ
【図１】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図２】
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【図７】
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